新型壓電材料

該成果近日將在物理學界權威學術刊物《物理學評論快報》（Physical Review Letters）上發(fā)表, 西安交大多學科材料研究中心、電力設備電氣絕緣國家重點實驗室博士研究生劉文鳳為該文第一作者。

迄今為止，這是無鉛壓電材料首次在壓電性能上超越鋯鈦酸鉛陶瓷。與此同時，任曉兵小組提出了有效提高壓電性能的理論，這對開發(fā)高性能無鉛壓電材料指明了重要方向并提供了一套有效方法。該項研究成果不僅是無鉛壓電材料領域的突破，而且可能由此引發(fā)長期依賴有害的鋯鈦酸鉛的工業(yè)界向無鉛壓電材料的變革。

任曉兵教授提出了一個形成大壓電效應的新理論，該理論表明：大壓電性能與鉛并無必要聯系，鋯鈦酸鉛只是滿足了該理論的要求的一個體系，所有滿足該理論要求的體系都可以產生大的壓電性?；谠摾碚撛撗芯啃〗M設計開發(fā)了一種新的無鉛壓電材料：鋯鈦酸鋇鈣。他們的研究結果顯示：該無鉛壓電材料具有令人驚異的壓電性能，壓電系數高達620皮庫侖/牛頓，這超過了鋯鈦酸鉛的性能（250-590皮庫侖/牛頓）。這是50多年來無鉛壓電材料的性能首次超越壓電材料的經典體系—鋯鈦酸鉛。這項成果對無鉛壓電材料的研究開發(fā)具有重要意義，它不僅研發(fā)出一種可以和鋯鈦酸鉛相媲美的對環(huán)境無害的壓電材料，更重要的是指出了開發(fā)大壓電性能材料的新方法。該方法可望導致今后出現更多更好的無鉛壓電材料，從而引發(fā)長期使用有害的鋯鈦酸鉛的工業(yè)界向無鉛壓電材料的變革。

該項研究得到了國家自然科學基金與“973計劃”項目以及國家外專局/教育部首批學科創(chuàng)新引智（111）計劃項目的支持。

迄今為止，壓電材料使用鈦氧鋯鉛（PZT），而此次開發(fā)的材料不含鉛成分，可實現高性能，對環(huán)境無害的傳感器及換能器制造。這種鈦氧鋇系列的壓電材料，是日本物質材料研究機構的研究人員任曉兵開發(fā)出的。壓電材料具有增加電壓產生伸縮、增加壓力產生電壓的特性，廣泛應用于電能與機械能互相轉換的換能器制造，是蜂鳴器、噴墨印刷機等不可缺少的材料。

壓電材料利用正離子與負離子的中心移動這一性質，增加電場，使離子輕微移動。但在原理上，最大只能移動0.01%距離。此次研究小組利用新原理開發(fā)的壓電材料正離子與負離子中心移動時產生的偶極矩電極化的區(qū)域，在增加電場之后沿電壓方向一齊發(fā)生變化，實現了可逆性的巨大電致伸縮效應。在理論上可實現最大5%的移動。

該材料應用于超聲成像（特別是醫(yī)用超聲成像）、聲納、微驅動器等器件可使其性能有重大提高。

壓電材料會有壓電效應是因晶格內原子間特殊排列方式，使得材料有應力場與電場耦合的效應。根據材料的種類，壓電材料可以分成壓電單晶體、壓電多晶體（壓電陶瓷）、壓電聚合物和壓電復合材料四種。根據具體的材料形態(tài)，則可以分為壓電體材料和壓電薄膜兩大類。

壓電效應聚合物

早在1940年，蘇聯就曾發(fā)現木材具有壓電性。之后又相繼在苧麻、絲竹、動物骨骼、皮膚、血管等組織中發(fā)現了壓電性。1960年發(fā)現了人工合成的高分子聚合物的壓電性。1969年發(fā)現電極化后的聚偏二氟乙烯具有較強的壓電性。具有較強壓電性的材料包括PVDF及其共聚物、聚氟乙烯、聚氯乙烯、聚-γ-甲基-L-谷氨酸酯和尼龍-11等。

壓電效應復合材料

壓電復合材料是有兩種或多種材料復合而成的壓電材料。常見的壓電復合材料為壓電陶瓷和聚合物（例如聚偏氟乙烯活環(huán)氧樹脂）的兩相復合材料。這種復合材料兼具壓電陶瓷和聚合物的長處，具有很好的柔韌性和加工性能，并具有較低的密度、容易和空氣、水、生物組織實現聲阻抗匹配。此外，壓電復合材料還具有壓電常數高的特點。壓電復合材料在醫(yī)療、傳感、測量等領域有著廣泛的應用。

定義

壓電材料 　鐵電單晶和鐵電陶瓷（見鐵電性）經過人工極化后都是壓電體。非鐵電型壓電體可以是單晶體或高分子聚合物。技術上應用的壓電材料的主要性能用彈性常數、介電常數、壓電常數和機電耦合系數來標記，常簡單地合稱這些參數為壓電體的電彈常數。機電耦合系數是壓電體通過壓電效應轉化的能量對輸入于壓電體的總能量的比值，標志壓電體將機械能與電能互相轉換時的效率。壓電體的介質和機械損耗角正切的倒數分別稱為電品質因數和機械品質因數。

天然壓電材料

天然的壓電材料有石英、電氣石等。人工合成材料有酒石酸鉀鈉、磷酸二氫銨、人工石英、壓電陶瓷、碘酸鋰、鈮酸鋰、氧化鋅和高分子壓電薄膜等。中國自50年代開始，科學院、高校和工礦企業(yè)等單位廣泛進行人工壓電材料合成，在上述材料中的多數方面都取得好成績和有大規(guī)模的生產，解決了國內需要，并得到國際上的重視。

鈦酸鋇壓電陶瓷

40年代發(fā)現了鈦酸鋇壓電陶瓷，接著制成了一系列的其他壓電陶瓷。由于陶瓷不溶于水，工作溫度高，機械強度大并且容易制成各種需要的幾何形狀，成本低廉，使壓電體的應用得到很大的發(fā)展。壓電陶瓷是鐵電多晶體。

鐵電陶瓷一般不具有壓電性，但是經過人工極化后，其中各個微晶粒的電矩取向沿極化時的外電場方向占優(yōu)勢，產生一個平均不為零的宏觀剩余極化強度pr而成為壓電陶瓷。通常陶瓷的pr比同種材料單晶體的自發(fā)極化強度pS小很多。壓電陶瓷的宏觀性質方向對稱性屬于點群∞m,它的無窮次對稱軸沿人工極化時外加電場的方向。其壓電張量非零獨立分量個數與6mm相同，即

d31=d32，d33，d15=d24。

鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷

應用最廣的是鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷，簡稱為 PZT。這系列材料在準同型相界附近具有很高的壓電性，而且性能可以通過改變成分和摻雜來調整。其居里點高達350℃以上,機電耦合系數可高達0.7, pr可達0.4C/m2，d15可達7×10-10C/N，d33可達 5×10-10C/N，d31可達-2×10-10C/N。 　壓電諧振器 　壓電晶體通常按特殊的方式切割成具有某種幾何形狀，再在表面上加上一對適當的電極，利用它的機械諧振性能與壓電效應相耦合而成為壓電諧振器。薄片狀振子其法向沿x、y或z軸方向者分別稱為X切、Y切和Z切；參見圖1, 其中的坐標系相對于晶軸的關系按 IRE標準規(guī)定。不同壓電晶體按應用上的要求有許多特殊的切割方法。

石英晶體在高溫時為β型, 屬點群622；當溫度降至573℃時轉變?yōu)?i>α 型，屬點群32。通常應用的都是α石英，中國俗稱水晶,或簡稱石英。它的z軸與三次對稱軸平行，就是光軸；x軸沿二次對稱軸，是個極軸，稱為電軸；y軸垂直于zx平面,稱為機械軸，圖1還給出了石英的兩種特殊取向切割法，稱為AT切和GT切；這兩種切片在室溫范圍附近諧振頻率與溫度無關。α石英的壓電張量只有兩個非零獨立分量

式中對于左旋石英數據取正號，右旋石英取負號。

可以設計出具有各種諧振模式的壓電振子。例如 X切的一塊石英薄片，在兩面上加上電極（圖2a），就可以按薄片的設計形狀在不同頻率上用交流電壓激發(fā)各種模式的機械諧振。圖2b為利用d11激發(fā)的厚度諧振。圖2c為利用d12激發(fā)的縱向長度諧振，圖2d為利用d14激發(fā)的切變諧振。不同材料制成的壓電振子還可激發(fā)其他更多方式的諧振，例如圓盤的徑向諧振、長條的彎曲諧振等等。

內容介紹

《壓電材料高等力學(英文版)》主要闡述線性壓電材料的基本理論和基本研究方法，其中包括Trefftz有限元法、辛力學模型、晗密頓系統(tǒng)；討論了纖維增強壓電復合材料、壓電功能梯度材料、含幣型裂紋壓電材料、壓電材料辛力學等問題。